которое состояние «насыщения», при котором скорость возрастания теплопередачи значительно уменьшается. Это объясняется тем, что с ростом температуры в энтальпии газа наряду с энергией поступательного движения все большее значение приобретает энергия колебательного и вращательного движения частиц, которая легко расходуется на излучение.

Конвективный теплообмен наиболее существенный при плазменной обработке материалов, определяется в основном энергией поступательного движения частиц газа, поэтому высокотемпературные формы энтальпии здесь менее эффективны. Из рис.2.63 видно, что водородная плазма — наилучший преобразователь энергии дуги

втеплоту.

3.12.3.Применение плазменной дуги

Плазменную дугу применяют для резки, сварки, наплавки и напыления. Плазменная резка занимает ведущее место среди других способов плазменной обработки материалов по объему применения в промышленности. В отличие от газокислородной резки при плазменной резке происходит не выгорание металла в кислороде, а его выплавление и «выдувание» струёй плазмы.

Проникающей плазменной дугой можно резать без каких-либо дополнительных флюсов практически любые материалы, в том числе чугун и коррозионно-стойкую сталь, вольфрам и молибден, медь и алюминий. Плазменной струёй можно резать неметаллы.

Большой интерес представляет применение так называемой микроплазмы, например для прецизионной резки и сварки высокотемпературной тонкой струёй — «пучком» плазмы. При микроплазменной сварке применяют токи в пределах 0,2…15 А. Устойчивое и стабильное горение микроплазменной дуги на малых токах достигается благодаря высокой степени сжатия столба дуги каналом сопла малого диаметра (0,8…1,2 мм). При резке плазма вытекает из сопла со сверхзвуковой скоростью (3…4 М). Это достигается малым объемом и высоким давлением в камере (до 5 МПа), а также расширяющейся формой сопла.

Микроплазма отличается весьма высокой концентрацией энергии и малым пятном нагрева, что приближает ее к лучевым источникам энергии для сварки.

Контрольные вопросы

1.Что такое электрический разряд?

2.Основная классификация газовых разрядов по внешнему виду.

3.Укажите на основные отличия тлеющего разряда и дугового.

4.Назовите основные области дугового разряда и отметьте их основные особенности.

5.Назовите основные способы возбуждения дугового разряда.

6.Что такое вольт-амперная характеристика дугового разряда? Опишите ее основные особенности.

7.Сформулируйте определение плазмы. Каковы ее основные параметры?

8.В чем физический смысл распределения частиц газа по скоростям по Максвеллу ?

95

9.В каких единицах выражается температура плазмы?

10.В чем суть квазинейтральности плазмы?

11.В чем заключается эффект Рамзауэра?

12.В чем сущность ионизации газа? Чем оценивается степень ионизации?

13.Что такое потенциал ионизации? Чему равны потенциалы ионизации аргона

игелия?

14.В каких единицах измеряется удельная электропроводность плазмы?

15.В чем физический смысл уравнения Саха?

16.Как определяется эффективный потенциал ионизации газовой смеси?

17.Назовите основные виды эмиссии электронов.

18.Опишите основные процессы в катодной области дуги.

19.От каких факторов зависит процесс термоэлектронной эмиссии (зависимость Ричардсона-Дэшмана)?

20.В чем заключается эффект Шоттки?

21.От каких факторов зависит плотность тока автоэлектронной эмиссии (формула Фаулера-Нордгейма)?

22.Опишите основные процессы в анодной области дуги.

23.Какое влияние оказывает анодное Uа и катодное Uк падения потенциала на производительность расплавления анода и катода?

24.На каком электроде сварочной дуги выделяется больше энергии?

25.В чем состоит физический смысл «Пинч-эффекта»?

26.Какое влияние оказывает продольное внешнее магнитное поле на поведение сварочной дуги?

27.Какое влияние оказывает поперечное внешнее магнитное поле на поведение сварочной дуги?

28.Назовите основные виды переноса металла в сварочной дуге.

29.Каковы основные особенности сварочной дуги переменного тока?

30.В чем проявляется вентильный эффект при дуговой сварке на переменном

токе?

31.Назовите основные виды сварочных дуг.

32.Назовите основные особенности ручной дуговой сварки металлическими электродами с покрытием.

33.Назовите основные особенности дуговой сварки под флюсом.

34.Назовите основные особенности аргонодуговой сварки неплавящимся (вольфрамовым) электродом.

35.В чем отличие сварочной дуги с неплавящимся электродом, существующей

всреде гелия или аргона?

36.Назовите основные особенности дугового разряда с полым неплавящимся катодом в вакууме.

37.Как влияет сжатие сварочной дуги на ее свойства?

38.Какие газовые среды в основном используются при дуговой и плазменной сварке? Приведите основные характеристики газовых сред.

96

Глава 3 ТЕРМИЧЕСКИЕ НЕДУГОВЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

3.1. Электронно-лучевые источники

Развитие электронной техники позволило получать мощные электронные пучки, энергия которых достаточна для осуществления различных технологических процессов. Это послужило основанием для создания целой технологической отрасли, получившей название «электронно-лучевая технология».

В последнее время электронно-лучевая технология сформировалась как самостоятельное направление в области обработки материалов, обладающее широкими технологическими возможностями в самых различных областях науки и техники.

Электронный луч как технологический инструмент позволяет осуществлять нагрев, плавку и испарение практически всех материалов, сварку и размерную обработку, нанесение покрытий и запись информации. Такая универсальность электронного луча дает возможность использовать одно и то же оборудование для различных технологических целей и совмещать в одном цикле обработки различные технологические процессы.

3.1.1. Формирование электронного пучка

Формирование электронного пучка для технологических целей можно представить как процесс, состоящий из следующих основных стадий:

1)получение свободных электронов;

2)ускорение электронов электростатическим или электромагнитным полем и формирование направленного потока электронов;

3)Изменение поперечного сечения потока электронов для формирования электронного пучка (чаще всего для его фокусировки на обрабатываемой поверхности);

4)отклонение электронного пучка и

тантала или гексаборида лантана LaB6, обладающих высокими эмиссионными характеристиками. В зависимости от материала катода его рабочая температура может достигать 2400…2800 К. Подогрев катода чаще всего осуществляется при помощи нака-

97

ливаемого электрическим током элемента, причем в некоторых случаях сам этот элемент может выполнять функции катода (катод прямого накала). Катод размещается внутри прикатодного электрода 2. На некотором расстоянии от катода находится анод 3, выполненный в виде массивной детали с отверстием по оси. Между катодом и анодом от специального высоковольтного источника питания прикладывается ускоряющее напряжение Uус =(З0…150 кВ), причем анод обычно соединяется с корпусом установки, а катодный узел крепится на высоковольтном изоляторе. Вследствие разности потенциалов между катодом и анодом электроны ускоряются до значительных скоростей, большая часть их проходит через отверстие в аноде и затем продолжает в заанодном пространстве движение по инерции. Мощность электронного пучка регулируется изменением его тока (при постоянном ускоряющем напряжении) путем подачи отрицательного (по отношению к катоду) напряжения Uф на управляющий (прикатодный) электрод 2 в элек- тронно-оптической системе сварочной пушки.

Этот электронный поток обладает еще сравнительно невысокими удельными энергетическими показателями, и для формирования из него электронного пучка 4 с необходимыми характеристиками обычно требуется дополнительная операция — фокусирование пучка. Для полной реализации возможности фокусирования электронного пучка до минимальных размеров (0,2…2,0 мм) при значительной мощности до 100 кВт необходимо выполнить такие условия формирования, чтобы погрешность электронной оптики, расталкивания электронов в пучке, тепловые скорости электронов, рассеяние электронов в газах и парах металлов не препятствовало собиранию электронов пучка в малом объеме.

Врабочем пространстве электронной пушки необходим вакуум, так как при большом количестве молекул остаточных газов они препятствуют свободному прохождению электронов из-за их взаимных столкновений. Кроме того, условия работы термоэмиссионного катода также требуют защиты его от взаимодействия с атмосферными газами. Рабочий вакуум в электронной пушке должен быть не хуже 1·10-3…1·10-4 Па. При увеличении давления происходит пробой между катодом и анодом электронной пушки, что может привести к выходу из строя высоковольтного выпрямителя.

Для фокусирования электронного пучка в электронной пушке обычно используется система диафрагм и магнитных линз. Магнитная линза 5 представляет собой соленоид с магнитопроводом, создающий специальной формы магнитное поле, которое при взаимодействии с электроном изменяет его траекторию и искривляет ее в направлении к оси системы. При этом можно добиться «сходимости» электронов на достаточно малой площади поверхности и в фокусе 7 электронный луч может обладать весьма высокой плотностью мощности до 5 108 Вт/см2. По достигаемой плотности мощности электронный пучок уступает только лазерному лучу. Такой плотности мощности достаточно для осуществления целого ряда технологических процессов, причем в результате изменения фокусировки она может быть плавно изменена до минимальных значений.

Вконструкцию электронной пушки обычно входит также, «отклоняющая система» 6, служащая для перемещения электронного луча по обрабатываемой поверхности. Перемещение луча осуществляется вследствие его взаимодействия с поперечным магнитным полем, создаваемым отклоняющей системой. Обычно для этой цели электронная пушка имеет две пары отклоняющих катушек, обеспечивающих перемещение луча по двум взаимно перпендикулярным направлениям. При питании отклоняющих катушек то-

98